Esplorazione della Terra: limiti, evidenze e fenomeni sismici

Limiti delle esplorazioni terrestri

Raccogliere informazioni dirette sull’interno della Terra non è possibile, se non entro uno strato superficiale di appena 12 km.

1. I più profondi pozzi minerari arrivano alla profondità di 4 km; le caverne più profonde arrivano a 2 km; le perforazioni più profonde arrivano a 12 km.

2. Alcune informazioni dirette ci derivano dalle rocce esposte nelle catene montuose, dalle lave eruttate da certi vulcani o presenti nei camini diamantiferi.

Rispetto alle dimensioni della Terra (il raggio terrestre misura oltre i 6370 km), pozzi minerari, grotte e trivellazioni raggiungono una profondità del tutto trascurabile.

Evidenze indirette sulla struttura terrestre

Ciò che ipotizziamo sulla struttura dell’interno della Terra ci proviene soprattutto da evidenze indirette:

1. Dalle caratteristiche del campo gravitazionale terrestre

2. Dall’analisi delle meteoriti

3. Dallo studio della propagazione delle onde sismiche

4. Dallo studio del campo magnetico terrestre

Campo gravitazionale e densità terrestre

Il campo gravitazionale terrestre: è il campo di attrazione esercitato dalla Terra nei confronti degli altri corpi e si manifesta attraverso la forza di gravità.

Se la Terra avesse una densità uniforme e simile a quella delle rocce superficiali la forza di gravità sarebbe la metà di quella esistente. Dunque all'interno della terra vi sono materiali più densi rispetto alle rocce superficiali.

→ Densità media 5,5 kg/dm3 mentre le rocce superficiali più dense arrivano al max a 3 kg/dm3.

Si stima che al centro della Terra la pressione sia tra 3,5 e 4 milioni di volte maggiore della pressione atmosferica. Gli elevati valori di pressione presenti verso il centro della Terra non giustificano, però, consistenti aumenti della densità, perché solidi e liquidi sono quasi del tutto incomprimibili. La causa va ricercata piuttosto nella presenza di materiali a densità più alta. Le rocce e i materiali presenti non sono gli stessi che si trovano in superficie.

→ La struttura interna della Terra non è omogenea.

Meteoriti e composizione interna

Le meteoriti forniscono informazioni sulla possibile composizione dei materiali interni della Terra. Le meteoriti sono frammenti di materia extraterrestre che talvolta attraversano l’atmosfera e cadono sulla Terra. Le meteoriti sono di tre tipi:

I. Meteoriti rocciose formate da silicati, soprattutto mafici

II. Meteoriti ferrose formate da una lega di ferro e nichel

III. Meteoriti roccioso-ferrose formate sia da silicati che da ferro e nichel.

Gradiente geotermico e temperatura interna

All’interno della Terra la temperatura aumenta con la profondità in media di 2,7 °C ogni 100 m, anche se in modo non costante.

Gradiente geotermico: l’incremento di temperatura, espresso in °C, che si registra ogni 100 m di profondità.

Il valore del gradiente geotermico tende a diminuire negli strati più profondi del pianeta. Se il valore medio della temperatura per la profondità, si mantenesse costante, la temperatura al centro della Terra arriverebbe a valori enormi, ed essa esploderebbe in una nube di gas. L’interno terrestre è molto caldo, ma le rocce, che in superficie fonderebbero a temperature inferiori a quelle interne, all’interno della superficie terrestre si trovano allo stato solido; dunque in profondità subiscono l’effetto delle elevate pressioni che ostacolano la fusione.

Grado geotermico: è l’intervallo di profondità cui corrisponde un aumento di temperatura di 1°C; il suo valore è in media di 39 m.

Geoterma: è la curva che descrive come la temperatura cresce con la profondità.

L’incremento di temperatura diminuisce con la profondità, cioè la temperatura aumenta sempre più lentamente, fino a stabilizzarsi nelle zone più profonde. Tra le profondità di circa 100 e 200 km la geoterma e la curva del punto di fusione corrono molto vicine.

A quelle profondità, i materiali del mantello sono molto vicini al punto di fusione e si comportano in modo plastico.

Comportamento delle onde sismiche

Passando da un mezzo ad un altro le onde subiscono una rifrazione, cambiano cioè la loro direzione e la loro velocità di propagazione.

Superficie di discontinuità: la superficie che separa i due mezzi è detta.

La velocità delle onde è tanto maggiore quanto più rigido ed elastico è il mezzo.

Se la rifrazione provoca:

- Un allontanamento dalla perpendicolare nel punto di rifrazione, se nel secondo mezzo l’onda si muove più velocemente.

- Un avvicinamento dalla perpendicolare nel punto di rifrazione, se nel secondo mezzo l’onda diventa meno veloce.

Un’onda sismica che attraversa una superficie di discontinuità subisce una rifrazione.

Se la velocità di propagazione delle onde sismiche fosse sempre costante, il fronte d’onda si propagherebbe lungo una retta.

→ La rifrazione causata dal cambiamento delle caratteristiche del mezzo di propagazione con la profondità determina una propagazione curvilinea.

L’analisi sismologica evidenzia che le onde sismiche giungono ai sismografi posti in diverse località seguendo traiettorie curve.

Zona d'ombra e onde sismiche

Zona d’ombra: la fascia di superficie terrestre compresa tra 11.000 e 16.000 km dall’epicentro.

→ Oltre la zona d’ombra si rilevano solo le onde P.

La zona d’ombra è causata da una superficie di discontinuità che provoca forti deviazioni delle onde. La mancanza di onde S oltre la zona d’ombra è dovuta alla presenza di materiale fuso oltre la superficie di discontinuità. La zona d’ombra a differenza delle onde P che possono attraversare solidi, liquidi e gas, le onde S si propagano solo all’interno di mezzi solidi.

La presenza di una zona d’ombra per le onde P compresa tra 11.000 e 16.000 km dall’epicentro può essere spiegata con la deviazione che le onde P subiscono nel passaggio a un mezzo di propagazione meno rigido all’interno della Terra.

La maggiore estensione della zona d’ombra delle onde S rispetto a quella delle onde P indica che le onde S non si propagano nel mezzo di propagazione meno rigido all’interno della Terra.